تجربة DØ

كان أحد الأهداف المبكرة لتجربة DØ هو اكتشاف الكوارك العلوي، ^{[ 15 ]} وهو آخر المكونات الستة للمادة التي تنبأ بها النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. جمعت كل من تجربتي DØ وCDF بيانات للبحث، لكنهما استخدمتا تقنيات رصد وتحليل مختلفة سمحت بتأكيد نتائج كل منهما بشكل مستقل.

في 24 فبراير 1995، قدم كل من DØ وCDF أوراقًا بحثية إلى مجلة Physical Review Letters تصف رصد أزواج الكواركات العلوية والمضادة العلوية الناتجة عن التفاعل القوي . ^{[ 16 ]} وفي 2 مارس 1995، أعلن الفريقان معًا عن اكتشاف الكوارك العلوي بكتلة تبلغ حوالي175 جيجا إلكترون ^فولت  / c² (تقريبًا طاقة نواة الذهب). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

في 4 مارس 2009، أعلن كل من تعاوني DØ وCDF عن اكتشاف إنتاج كواركات علوية منفردة عبر التفاعل الضعيف . تحدث هذه العملية بمعدل نصف معدل إنتاج أزواج الكواركات العلوية تقريبًا، لكنها أصعب بكثير في الرصد نظرًا لصعوبة تمييزها عن العمليات الخلفية التي قد تُنتج إشارات خاطئة. استُخدمت دراسات الكواركات العلوية المنفردة لقياس عمر الكوارك العلوي الذي يبلغ حوالي 5 × 10⁻²⁵ ^ثانية ، وقياس العنصر الأخير المجهول في مصفوفة CKM لخلط الكواركات بين الأجيال، والبحث عن فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي . ^{[ 20 ]}

تم الإبلاغ عن قياسات دقيقة لخصائص الكوارك العلوي مثل الكتلة والشحنة وأنماط الاضمحلال وخصائص الإنتاج والاستقطاب في أكثر من مائة منشور.

منحت الجمعية الفيزيائية الأوروبية جائزة فيزياء الطاقة العالية والجسيمات لعام 2019 إلى تعاوني DØ وCDF "لاكتشاف الكوارك العلوي والقياس التفصيلي لخصائصه". ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• الصفحة الرئيسية لمجموعة فيزياء الكوارك العلوي التابعة لـ DØ

في السنوات اللاحقة، كان أحد الأهداف الفيزيائية الرئيسية لتجربة DØ هو البحث عن بوزون هيغز ، الذي تنبأ النموذج القياسي بوجوده ، ولكن بكتلة غير معروفة. ^{[ 23 ]} قبل اختتام تجارب مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP) في سيرن عام 2000، استبعدت هذه التجارب وجود بوزون هيغز بكتلة أصغر من114.4 جيجا إلكترون ^فولت / ثانية²  . ^{[ 24 ]} في عام 2010، وسّع كل من DØ وCDF المنطقة المحظورة لتشمل نافذة حول160 جيجا إلكترون فولت/ ج ²  . ^{[ 25 ]}

في 2 يوليو 2012، وتوقعًا لإعلان سيرن عن اكتشاف بوزون هيغز، أعلن فريقا DØ وCDF عن أدلتهما (بنسبة خطأ تقارب ثلاثة انحرافات معيارية) على تحلل بوزونات هيغز إلى حالات نهائية سائدة من كوارك b، مما يشير إلى أن كتلة الجسيم تتراوح بين 115 و135 جيجا إلكترون فولت/c² ^. [ ^{26 ] وفي} 4 يوليو 2012، أعلنت تجارب ATLAS و CMS التابعة لسيرن عن اكتشاف بوزون هيغز بكتلة 125 جيجا إلكترون فولت/ ^c² . ^{[ 27 ]}

شكلت التقنيات التي طُورت في مصادم تيفاترون للبحث عن بوزون هيغز نقطة انطلاق لتحليلات مصادم الهادرونات الكبير اللاحقة. ^{[ 28 ]}

تُعدّ خصائص بوزونات W وZ ، التي تنقل القوة النووية الضعيفة، مؤشرات حساسة على الاتساق الداخلي للنموذج القياسي. في عام 2012، قاس DØ كتلة بوزون W بدقة نسبية أفضل من 0.03%، مستبعدًا بذلك العديد من النماذج المحتملة للفيزياء الجديدة. ^{[ 29 ]}

جمعت تجربتا DØ وCDF لقياس عدم التناظر الأمامي-الخلفي في اضمحلال بوزونات Z (ميل اللبتونات الموجبة المندمجة في الاضمحلال إلى الظهور أقرب إلى اتجاه البروتون الوارد أكثر من اللبتونات السالبة المندمجة في الاضمحلال). ومن خلال قياسات عدم التناظر هذه، تم قياس زاوية المزج الضعيف التي تحكم كسر التناظر الكهروضعيف إلى قوى كهرومغناطيسية وضعيفة متميزة بدقة أفضل من 0.15%. تتمتع هذه النتيجة بدقة مماثلة لتجارب مصادم الإلكترون-بوزيترون في CERN و SLAC ، وتساعد في حل التناقض القائم منذ فترة طويلة بين تلك القياسات. ^{[ 30 ]}

على الرغم من أن تجارب مصنع B في KEK و SLAC و IHEP في بكين وتجربة LHCb في CERN قد هيمنت على العديد من جوانب دراسة الهادرونات التي تحتوي على كواركات b أو c، فقد قدم DØ مساهمات ملحوظة باستخدام عينات كبيرة تحتوي على جميع الهادرونات ذات النكهة الثقيلة التي يمكن رؤيتها من خلال تحللها إلى ميونات.

في يوليو 2006، نشر فريق DØ التعاوني أول دليل على تحول ميزون B _s (الذي يحتوي على كوارك مضاد b وكوارك غريب) إلى جسيمه المضاد. يحدث هذا التحول حوالي 20 تريليون مرة في الثانية. لو وُجدت جسيمات جديدة تتجاوز تلك الموجودة في النموذج القياسي، لكان هذا المعدل قد تغير. ^{[ 31 ]}

في 14 مايو/أيار 2010، أعلن فريق DØ عن ميلٍ لدى كواركات b و anti-b الناتجة عن تصادمات البروتون-مضاد البروتون إلى تكوين زوج من الميونات موجبة الشحنة بتردد أكبر من تكوين زوج سالب الشحنة. ^{[ 32 ]} قد يُساعد هذا الميل، إلى جانب قياسات عدم تناظر الميونات المفردة، في تفسير عدم تناظر المادة والمادة المضادة المسؤول عن هيمنة المادة في الكون. ^{[ 33 ]} مع ذلك، أشارت نتائج تجريبية من علماء الفيزياء في مصادم الهادرونات الكبير إلى أن "الاختلاف عن النموذج القياسي ضئيل". ^{[ 34 ]}

في 12 يونيو 2007، قدم فريق DØ ورقة بحثية إلى مجلة Physical Review Letters أعلن فيها اكتشاف جسيم جديد يُسمى Ξ _b (يُنطق "زيغ ساب بي") بكتلة قدرها _{تبلغ كتلته} 5.774 ± 0.019 جيجا إلكترون ^فولت / ثانية² ، أي ما يقارب ستة أضعاف كتلة البروتون. يتكون الباريون Ξb من كوارك سفلي ، وكوارك غريب ، وكوارك قاع ، مما يجعله أول باريون يُرصد مكونًا من كواركات من جميع أجيال المادة الثلاثة. ^{[ 35 ]}

أشارت فرضيات الكواركات الأصلية لموراي جيل مان وجورج زويج إلى إمكانية وجود ميزونات غريبة تحتوي على كواركين واثنين من الكواركات المضادة (بدلاً من كوارك واحد وكوارك مضاد فقط). وقد رُصدت أمثلة على ذلك بعد أربعين عامًا، حيث احتوى الميزون الغريب على كواركات b و c الثقيلة الأكثر تميزًا. وقد أسهمت نظرية DØ في فهم جديد لهذه الحالات الغريبة ذات النكهات الثقيلة. ^{[ 36 ]}

الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) هي نظرية التفاعل القوي، حيث تتفاعل الكواركات والغلوونات من خلال خاصية كمومية، مماثلة للشحنة الكهربائية في الكهرومغناطيسية، تسمى "اللون". تقدم QCD تنبؤات كمية لإنتاج النفاثات (رذاذات متوازية من الجسيمات المتطورة من الكواركات أو الغلوونات المتناثرة)، والفوتونات، وبوزونات W أو Z.

في الفترة ما بين عامي 1999 و2001، نشر د. أو. سلسلة من الأبحاث التي تناولت إنتاج النفاثات كدالة لطاقة الحزمة، وطاقة النفاثة، وزاوية إنتاجها. وقد أعقب قياس المقطع العرضي المركزي الشامل للنفاثة ^{[ 37 ] قياسُ شبه السرعة والاعتماد على الطاقة المستعرضة للمقطع العرضي الشامل لإنتاج النفاثة [ 38 ]} ، وقياسُ نسبة المقاطع العرضية المركزية الشاملة للنفاثة عند طاقتين مختلفتين لمركز الكتلة ^{[ 39 ]} ، بالإضافة إلى مقال استعراضي تناول قياسات طيف كتلة النفاثتين وتوزيعاتهما الزاوية ^{[ 40 ] .}

من نتائج تجربة DØ في عام 2012 قياسُ نفاثات عالية الطاقة للغاية ناتجة عن زوايا تشتت كبيرة. يحدث هذا عندما تحمل الكواركات المفردة أكثر من نصف طاقة البروتون أو البروتون المضاد لها، على الرغم من أن البروتون والبروتون المضاد يتكونان عادةً من عشرات الكواركات والغلوونات. وقد توافقت القياسات توافقًا ممتازًا مع التوقعات. في سلسلة من المنشورات التي رُصد فيها زوجان من النفاثات أو الفوتونات الناتجة عن تشتتين مستقلين للكواركات والغلوونات ضمن تصادم واحد بين بروتون وبروتون مضاد، أشار نمط هذه المعدلات إلى أن الامتداد المكاني للغلوونات داخل البروتون أصغر من نظيره للكواركات. ^{[ 41 ]}

كان نظام التتبع المركزي يحتوي على كاشفين فرعيين لقياس مواقع مسارات الجسيمات المشحونة ومجال مغناطيسي للتسبب في انحناء المسارات، مما يسمح بقياس زخمها.

وُضع جهاز تتبع الميكروستريب السيليكوني خارج أنابيب حزمة تيفاترون مباشرةً. وقد وفرت خمسة أنابيب متحدة المركز مع الحزم، وستة عشر قرصًا مزودة بشرائط عمودية عليها، قياسات دقيقة لإحداثيات المسارات المشحونة. ساعدت هذه القياسات في تحديد زخم الجسيمات، والتمييز بين الجسيمات التي انطلقت من نقطة التصادم الأولية وتلك التي قطعت مسافة محددة قبل أن تتحلل، مثل ليبتونات تاو والهادرونات التي تحتوي على كواركات القاع. يتكون الجهاز من حوالي 800,000 شريط سيليكوني بعرض 50 ميكرون، قادر على قياس موقع المسار بدقة تصل إلى 10 ميكرونات. وقد حُدد نصف القطر الخارجي لكواشف السيليكون بـ 10  سم نظرًا لتكلفتها العالية. ^{[ 43 ]} تم تركيب جهاز تتبع الميكروستريب السيليكوني في الكاشف لبرنامج تيفاترون رن 2، الذي بدأ في عام 2001. ^{[ 44 ]} وأصبح الجهاز يعمل بكامل طاقته بحلول أبريل 2002. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

خارج جهاز التتبع السيليكوني، شغل جهاز التتبع الليفي الأسطواني المتلألئ المنطقة القطرية بين 20 و52  سم و2.5 متر على طول خط الشعاع. اجتازت الجسيمات ثماني طبقات من الألياف المتلألئة بقطر 835 ميكرون. أنتجت هذه الألياف فوتونات عند مرور الجسيم من خلالها. ^{[ 47 ]} نُقل الضوء من كل ليف من الألياف التي يزيد عددها عن 75000 ليف إلى مستشعرات الحالة الصلبة التي أنشأت إشارات إلكترونية رُقمت وسُجلت. بلغت الدقة المكانية لجهاز التتبع الليفي حوالي 100 ميكرون. ^{[ 48 ]}

تم وضع مغناطيس لولبي فائق التوصيل خارج جهاز تتبع الألياف مباشرةً، مما أدى إلى توليد مجال مغناطيسي بقوة 2 تسلا في حجم السيليكون وجهاز تتبع الألياف. ^{[ 49 ]}

يتألف نظام المسعر من ثلاثة مسعرات أخذ عينات (مسعر مركزي أسطواني ومسعران طرفيان)، وكاشف بين المبردات، وكاشف ما قبل الدش. ^{[ 50 ]} تتمثل مهمة المسعرات والكواشف الفرعية المرتبطة بها في قياس طاقات الإلكترونات والفوتونات والهادرونات المشحونة والمتعادلة. ويتحقق ذلك عندما تعبر الجسيمات الساقطة طبقات متعددة من مادة خاملة كثيفة تتفاعل فيها وتُكوّن جسيمات ثانوية. تُسمى جميع هذه الجسيمات الثانوية بالدش. تُوزع طاقة الجسيم الأصلي بين العديد من جسيمات الدش ذات الطاقة الأقل بكثير والتي تتوقف في النهاية، وعندها ينتهي الدش. بين طبقات المادة الخاملة، توجد كواشف لقياس تأين الجسيمات. تتناسب إشارة التأين الكلية المجمعة على الدش مع طاقة الجسيم الأصلي. ^{[ 51 ]}

وُضِعَت طبقة أسطوانية من شرائح ما قبل الدُشّ، المصنوعة من مادة وميضية، مباشرةً خارج الملف اللولبي، وقُرِئَت بياناتها باستخدام مجسات تتبع الألياف. كما غُطِّيَت نهايات منطقة التتبع بكواشف مماثلة لما قبل الدُشّ. وقد تسببت المادة الموجودة في الملف اللولبي، والمُدعَّمة بألواح الرصاص، في بدء الإلكترونات والفوتونات الأولية لتكوين وابل من الجسيمات الثانوية. وبذلك، شكّل كاشف ما قبل الدُشّ المرحلة الأولى من قياس السعرات الحرارية، وحدّد بدقة موقع نقطة اصطدام الجسيمات.

يحتوي المسعر المركزي الخارجي ومسعران طرفيان يغطيان الملف اللولبي على أقسام منفصلة لقياس الجسيمات الكهرومغناطيسية والهادرونات. تم اختيار اليورانيوم لألواح الامتصاص الخاملة نظرًا لكثافته العالية جدًا. احتوت الفجوات النشطة على غاز الأرجون السائل مع تطبيق مجال كهربائي قوي لجمع تأين الجسيمات العابرة على مستويات مجزأة بدقة من أقطاب نحاسية. جُمعت هذه الإشارات في 50,000 إشارة لقياس طاقات الجسيمات وأشكال الدش العرضية والطولية، مما ساعد في تحديد نوع الجسيم. احتوى كل مسعر على حوالي ستين وحدة من اليورانيوم والأرجون السائل بوزن إجمالي يتراوح بين 240 و300 طن متري. بلغ سمك المسعر الإجمالي حوالي 175  سم لامتصاص وابل الجسيمات الأكثر طاقة الناتجة عن التصادم بشكل كامل. كانت الأوعية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ اللازمة لاحتواء الوحدات عند درجة حرارة الأرجون السائل (-190 درجة مئوية) سميكة نسبيًا، لذلك تم إدخال كاشفات الوميض بين المسعرات الحرارية المركزية والطرفية لتصحيح الطاقة المفقودة في جدران المبرد.

تتمثل إحدى المهام الرئيسية لعلم قياس السعرات الحرارية في تحديد النفاثات، وهي عبارة عن رذاذ من الجسيمات يتكون عندما تهرب الكواركات والغلوونات من نقطة تصادمها. يسمح تحديد النفاثات وقياس اتجاهاتها وطاقاتها بإجراء تحليلات لإعادة بناء زخم الكواركات والغلوونات الأساسية في التصادم الأولي. ^{[ 52 ]}

كان الغلاف الخارجي للكاشف مخصصًا لرصد الميونات . تُعدّ الميونات عالية الطاقة نادرةً نسبيًا، ولذا فهي مؤشرٌ واضحٌ على حدوث تصادماتٍ مثيرةٍ للاهتمام. على عكس معظم الجسيمات، لم تُمتصّ الميونات في المسعرات الحرارية، لذا يُرجّح أن تكون المسارات المرصودة خارج المسعرات الحرارية هي مسارات الميونات. وفّرت مستويات الوميض إشارةً سريعةً استُخدمت لتحديد الأحداث المهمة. سجّلت محطةٌ واحدةٌ من غرف التتبع قبل محطتين بعد المغناطيسات الحديدية الصلبة مسارات الميونات. استُعيد الحديد المستخدم في المغناطيس المركزي الكبير من سيكلوترون تابع لوكالة ناسا، بُني لمحاكاة أضرار الإشعاع في الفضاء. ^{[ 53 ] [ 54 ]}